三维数值流形方法-非连续变形分析耦合算法及其应用

Development of a unified method to analysis the full process of geo-disasters from deformation, failure, instability and movement is a challenge and new trend in civil engineering. Numerical analysis is an important method to realize this unified process. This project is devoted to develop a new three dimensional continuum-discontinuum numerical method to analysis geo-disaster. In this project, a three dimensional coupled numerical manifold method and discontinuous deformation analysis is first developed, which includes: the contact sub-matrix element between 3D NMM element and DDA block is derived; an artificial boundary and corresponding method to input earthquake wave are derived; the virtual joint is adopted to analysis crack propagation and progressive failure; a stable and efficient three dimensional contact algorithm is established; Therefore, a three dimensional continue-discontinue numerical method is proposed. Based on above study, a series of numerical simulations based on appropriate geological models of slope from ground investigation are carried out to study the failure mechanism, stability and the following movement characteristics. The applicability and accuracy of the newly developed algorithm are verified by comparison between numerical results and analytical results, field investigations. This project is aimed at developing a numerical method to analysis the full process of geo-disasters in a unified simulation, values in the perspective of both science and engineering applications.

对岩土地质灾害进行从变形-破坏-失稳-运动全过程的统一分析, 是土木工程研究领域的挑战和趋势。数值分析方法是实现该过程的重要手段。本项目致力于开发一种能对岩土地质灾害进行三维连续-非连续分析的数值方法，拟从耦合三维数值流形方法(NMM)和非连续变形分析(DDA)入手，推导3D NMM 单元与3D DDA 块体间的接触矩阵，推导三维人工边界与地震波输入方法，引入虚拟节理进行裂纹扩展分析，建立高效稳定的三维接触算法，实现三维连续-非连续数值分析新方法。在此基础上，结合边坡真实地质构造建模，进行破坏机制和稳定性评价的研究，进而与边坡失稳后的运动模拟进行全过程的统一分析，通过与现场调查、理论分析结果进行对比，验证该算法的精度和适用性。本项目旨在开发一种能够对岩土地质灾害进行全过程统一分析的数值分析方法，具有重要的科学意义和工程应用价值。

对岩土地质灾害进行从变形-破坏-失稳-运动全过程的统一分析是土木工程研究领域的挑战和趋势。数值分析方法是实现该过程的重要手段。本项目致力于开发一种能对岩土地质灾害进行三维连续-非连续分析的数值算法及相关研究方法。具体内容如下：.1. 改进了任意多面体间F-F接触模型和E-E接触模型的识别方案，解决了三维问题中粘聚力精确计算的难题；扩展3-D NMM八结点六面体数学网格到整个计算范围中，建立3-D DDA 块体独立覆盖单元与数学网格的映射关系，基于邻域搜索实现了高效稳定的三维接触搜索算法。.2. 选择八结点六面体单元推导了三维数值流形方法(3-D NMM)的元素表达式，组装矩阵实现了3-D NMM算法。通过连续变形与非连续变形分析的算例验证了算法的可靠性。.3. 设置特殊的独立数学覆盖单元将三维非连续变形分析方法(3-D DDA)块体覆盖在该数学覆盖单元内，统一采用NMM的位移模式，实现了连续-非连续分析方法的耦合。在此基础上，研究了3-D NMM中的黏性边界和自由场边界，解决地震等外源入射问题；基于有限元网格划分3-D DDA块体为子块体，引入虚拟节理模拟裂纹扩展问题。.4. 以金沙江下游的溪洛渡至新市镇段两岸边坡为研究区域，对边坡地震危险性评价所需的三种参数分别详细分析判定，通过与重点区域的现场调查结果进行对比，最终得出了边坡的地震滑坡易发性区划；提出了一种基于近景摄影测量的半确定性块体理论岩质边坡稳定性评价方法(New Semi-Deterministic Block Theory, NSDBT)，并编写了相应的程序。选取有代表性案例，建立数值分析模型，分析了失稳机制和多块体崩塌滚石事件的运动特征。结果表明，提出的三维连续-非连续变形分析方法结果可靠，具有实用性。.本项目开发的对岩土地质灾害进行全过程统一分析的数值分析方法，具有重要的科学意义和工程应用价值，可为山地地质灾害防灾减灾提供科学依据和技术支撑。